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八 3. 連續型機率

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Academic year: 2022

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(1)

3. 連續型機率

3.1 (1)

因為fX(t) = 1πe−t2 ≥ 0, t ∈ R,而且 R

−∞fX(t)dt = R

−∞

1

πe−t2dt =R 0

1

πe−t2dt +R0

−∞

1

πe−t2dt

= 1π(R

0 e−t2dt +R0

−∞e−t2dt) = 1π(R

0 e−t2dt +R

0 e−t2dt) = 1π(

π 2 +

π 2 ) = 1 所以fX(t)是機率密度函數

(2) fX(t) =

e−t t ≥ 0 0 t < 0 因為fX(t) ≥ 0, t ∈ R,而且 R

−∞fX(t)dt = R

0 e−tdt = lim

a→∞

Ra

0 e−tdt = lim

a→∞(−e−a+ 1) = 1 所以fX(t)是機率密度函數

(3) fX(t) =

1

t12et2 t > 0

0 t ≤ 0

因為fX(t) ≥ 0, t ∈ R,而且 R

−∞fX(t)dt = R 0

1

t12e2tdt = 1R

0 t12et2dt = 1π R

0 u12e−udu = 1π√ π

= 1 (u = 2t) (Γ(12) = √

π) 所以fX(t)是機率密度函數

(4) fX(t) =

βα

Γ(α)tα−1e−βt t > 0

0 t ≤ 0

因為fX(t) ≥ 0, t ∈ R,而且 R

−∞fX(t)dt = R 0

βα

Γ(α)tα−1e−βtdt = Γ(α)βα R

0 tα−1e−βtdt = Γ(α)βα (Γ(α)β−α) = 1 所以fX(t)是機率密度函數 (習題2.10)

3.2 因為fX(t) = 1

2πσe(t−µ)22σ2 ≥ 0, t ∈ R, 而且 R

−∞fX(t)dt = R

−∞

1

2πσe(t−µ)22σ2 dt = 2πσ1 R

−∞e(t−µ)22σ2 dt = 1π R

−∞e−u2du = 1π√ π

= 1 (u = t−µ)

所以fX(t)是機率密度函數

1

(2)

3.3 E(X) =R

−∞t1

2πσe(t−µ)22σ2 dt = 1

2πσ

R

−∞te(t−µ)22σ2 dt = 1

2πσ

√2πσµ = µ (習題2.9)l

E(X2) =R

−∞t21

2πσe(t−µ)22σ2 dt = 1

2πσ

R

−∞t2e(t−µ)22σ2 dt = 1

2πσ

√2πσ(µ2+ σ2)

= µ2+ σ2

所以V ar(X) = E(X2) − E2(X) = µ2+ σ2− µ2 = σ2

3.4 E(Y ) = E(X−µσ ) = σ1E(x − µ) = σ1(E(X) − µ) = 0 V ar(Y ) = V ar(X−µσ ) = σ12V ar(X − µ) = σ12V ar(X) = 1

3.5 因為fX(t) ≥ 0, t ≥ 0, 而且 R

0 λe−λtdt = lim

a→∞(Ra

0 λe−λtdt) = lim

a→∞(−e−λt|a0) = 1 所以fX(t)是機率密度函數

E(X) =R

0 tλe−λtdt = lim

a→∞(Ra

0 tλe−λtdt) = lim

a→∞[(−te−λt)|a0 −Ra

0 −e−λtdt]

= lim

a→∞[−ae−λa+ (−1λe−λt)|a0] = lim

a→∞(−ae−λaλ1e−λa+1λ) = λ1 E(X2) =R

0 t2λe−λtdt = lim

a→∞(Ra

0 t2λe−λtdt) = lim

a→∞[(−t2e−λt)|a0−Ra

0 −2te−λtdt]

= 2 lim

a→∞

Ra

0 2te−λtdt = 2 lim

a→∞[(−λ1te−λt)|a0−Ra

01λe−λtdt] = 2 lim

a→∞[−λ1ae−λa+(−λ12e−λt)|a0]

= 2 lim

a→∞(−λ1ae−λaλ12e−λa+ λ12) = λ22

V ar(X) = E(X2) − E2(X) = λ22λ12 = λ12

3.7 (1)

FX+α(t) = P (X + α ≤ t) = P (X ≤ t − α) = Rt−α

−∞ fX(s)ds 所以fX+α(t) = FX+α0 (t) = fX(t − α) · (t − α)0 = fX(t − α), t ∈ R (2)

FαX(t) = P (αX ≤ t) = P (X ≤ αt) =R αt

−∞fX(s)ds 所以fαX(t) = FαX0 (t) = fX(t

α) · (αt)0 = α1fX(αt), t ∈ R

3.8 (1)

由性質3.2知 fZ(t) =R

−∞fX(t−s)fY(s)ds =R

−∞

1

2πσe(t−s−µ)22σ2 ·2πσ1 e(s−µ)22σ2 ds = 2πσ12

R

−∞e−((t−s−µ)2+(s−µ)2

2σ2 )ds

= 2πσ12e(t−2µ)24σ2 R

−∞e

(s− 12t)2

σ2 ds = 2πσ1 e(t−2µ)24σ2 R

−∞e−u2du = 2πσ1 e(t−2µ)24σ2

π = 1

4πσe(t−2µ)24σ2

2

(3)

(2)

Zn = X1+ X2 + · · · + Xn 由fZ1(t) = 1

2πσe(t−µ)22σ2 , fZ2(t) = 1

4πσe(t−2µ)24σ2 可猜測fZn = 1

2nπσe(t−nµ)22nσ2 , 以下將用數學歸納法證明 (I)n = 1, fZ1(t) = 2πσ1 e(t−µ)22σ2

(II) 假設 n = k,fZ

k(t) = 1

2kπσe(t−kµ)22kσ2

因為Xi為獨立隨機變數,所以Zk, Xk+1亦為獨立, 因此 fZk+1(t) = fZk+Xk+1(t) =R

−∞fZk(t − s)fXk+1(s)ds

=R

−∞

1

2kπσe(t−s−kµ)22kσ2 · 1

2πσe(s−µ)22σ2 ds = 1

4kπ2σ2

R

−∞e−((t−s−kµ)22kσ2 +(s−µ)22σ2 )ds

= 1

4kπ2σ2e

(t−(k+1)µ)2 2(k+1)σ2 R

−∞e

(s−

t k+1)2 2k k+1σ2

ds = 1

4kπ2σ2e

(t−(k+1)µ)2 2(k+1)σ2 R

−∞

q 2k

k+1σe−u2du

= 1

4kπ2σ2e

(t−(k+1)µ)2 2(k+1)σ2

q 2k k+1σ√

π = √ 1

2(k+1)πσe

(t−(k+1)µ)2 2(k+1)σ2

所以由數學歸納法可知,fZ

n(t) = 1

2nπσe(t−nµ)22nσ2

3.9 當t < 0, FY(t) = P (Y ≤ t) = P (X2 ≤ t) = 0 因此fY(t) = FY0 (t) = 0, t < 0.

當t > 0, FY(t) = P (Y ≤ t) = P (X2 ≤ t) = P (−t12 ≤ X ≤ t12) = Rt12

−t12

1

es22 ds 因此fY(t) = FY0 (t) = 1

e2t(t12)01

e2t(−t12)0 = 1

2

e2tt12 + 1

2

e2tt12

= 1

e2tt12, t > 0.

3

參考文獻

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